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用于煤礦行業的礦用尋北儀

1 概述

礦用尋北儀基于三軸一體光纖陀螺及三軸加速度計，可完成初始對準、姿態保持功能，實時輸出載體姿態參考值。

本發明是一種井下鉆機姿態測量方法。其固定于鉆機推進器的軌道上，開始工作后會將敏感的轉動運動的角速度和平移運動的加速度在處理器進行姿態解算，得到鉆機的姿態；然后，慣性測量系統一直實時測量鉆機的當前姿態直至測量結束。本發明無需借助外界信息僅依靠裝置自身就可以自動、快速、精確地測量與顯示井下鉆機姿態信息。

此款尋北儀是我們專門為煤礦研發的，它降低了煤礦尋北儀的使用成本，并且性能穩定，很多公司都對其有濃厚的興趣，表達要與我們合作的意向。

2 產品功能特性與技術指標

2.1 主要功能

礦用尋北儀的主要功能包括：

1) 角速率和加速度測量功能；

2) 自對準功能；

3) 姿態跟蹤功能；

4) RS-422/RS232串行通訊。

礦用尋北儀的坐標軸定義如圖1。其中X軸正向沿系統接插件方向，系統通過底面四個安裝法蘭安裝時Z軸定義朝天方向，X、Y、Z構成笛卡爾正交坐標系。

系統輸出航向角/方位角表示：Y軸正向與地理北向夾角，北偏東為角度增加方向。

系統輸出俯仰角/傾角表示：Y軸正向與水平面夾角，偏上為正。

圖1 DBY系列尋北儀坐標極性定義（俯視圖）

2.2 技術指標

DBY系列尋北儀的主要技術指標如下：

1) 尋北時間： 3分鐘

2) 連續工作時間：不少于60分鐘

3) 輸出更新率：1kHz

4) 系統對準精度：

l 俯仰/橫滾角（1σ）：≤0.03°

l 航向角（1σ）：≤0.5°

5) 姿態保持精度：

l 俯仰/橫滾角（20min）：≤0.1°

l 航向角（20min）：≤0.5°

3 設備接口定義

3.1數據接口定義

SX1接插件引出一個DB9母頭，按標準四線RS422連接。用戶僅需將上述串口連接至采集計算機即可進行測量，注意發數波特率為614.4kbps，需要配套采集設備方可進行數據采集。

3.2硬件接口定義

DBY系列尋北儀采用RS422串口輸出，波特率為614.4Kbps，每幀數據共60字節，每字節包含1起始位(0)、8數據位、1停止位(1)，每字節先傳送低位，每幀數據先傳送低字節，暫無校驗。具體數據格式如下表所示：

Table 1 data frame format

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4 相關采集軟件說明

簡版礦用尋北儀采集軟件如下圖所示：

導航數據模塊：在系統尋北完成之后，對準信息顯示在區域左側，右側部分實時跟蹤系統三維姿態信息。

控制命令模塊：“尋北指令”可在不斷電情況下重新進行尋北；緯度、經度、高度三個編輯框內可輸入當前工作地點經緯度（手機定位即可），輸入完成之后點擊“發送經緯度”可進行經緯度信息裝訂，即時寫入系統內部存儲器，發送完成之后點擊“尋北指令”可在新輸入的經緯度下進行尋北，斷電不丟失，上位機界面上“上位機”—“緯度、經度、高度”處數據更新至新的經緯度即表示裝訂成功。

傳感器數據模塊：包括陀螺和加速度計原始輸出數據；內部計數器為上電即進行計數，點擊“尋北指令”之后清零；緯度、經度、高度為裝訂的信息。

數據保存在軟件當前目錄，命名如“0924205117imu_data.txt”(文檔建立時間)，數據列依次為三軸陀螺、三軸加表、三軸姿態角、緯度、經度、高度。

5測試過程及數據

5.1 測試過程

礦用尋北儀需按正確操作秩序進行試驗。試驗步驟簡要說明如下：

(1)系統安裝：將DBY系列尋北儀通過底面固定于測試臺基準面上；

(2)接插件連接：按要求連接電源及數據接口，詳見第3部分內容；

(3)系統上電：外界線性電源確定調試完畢，檢查各部分連線均無問題之后，打開外部線性電源，同時查看電源電流是否在正常功耗范圍之內，若有出現電流過大或過小情況均需斷電檢查，電流大小正確情況下方可繼續試驗；

(4)系統工作：系統上電之后，SX1所接的數據接口應有數據輸出，格式詳見第3部分，利用提供的DBY系列尋北儀采集軟件即可采集到數據，系統上電之后需3分鐘對準時間（尋北時間），3分鐘之內盡量保證系統處于靜止狀態，對準完成之后（3分鐘之后）即進入導航階段，此時轉動承載裝置，尋北儀即可實時跟蹤三個姿態角變化，若需重新對準（尋北），則按第三部分點擊“尋北指令”按鈕進行重新尋北（第三部分）。